采用離心風機的風冷冰箱風道出風均勻性優化設計

謝從虎 程璨 李志強 藍啟航 劉洪挺

中國電器科學研究院股份有限公司 廣東廣州 510860

1 引言

風冷冰箱由于容量大、制冷快、控溫精準、易于分區等優勢，日漸受到消費者的青睞。風機作為風冷冰箱的核心部件之一，對其制冷性能有重要影響。離心風機由于噪聲小、效率高等特點，已經呈現出逐步替代軸流風機的趨勢。但離心風機的工作原理與軸流風機有較大區別：經蒸發器制冷后的冷氣由軸向流入離心風機葉輪，通過高速旋轉的葉輪將氣體流向改變，從徑向吹出風機組件。這使得離心風機不能應用于軸流風機常采用的對稱型風道，而需參考蝸殼結構對風道結構進行優化，以提高出風效率。葉增明等[1]針對蝸殼內壁型線設計提出近似作圖法，但受制于冰箱幾何結構限制，此方法難以完整應用于冰箱風道。

對于應用離心風機的風冷冰箱，陳慶濤等[2]對進風口處導風圈結構進行研究，通過調整入口直徑和防回流環的直徑來提升出風效率并降低噪聲。朱宇龍等[3]對離心風機入口關鍵參數進行了分析，表明需要重點關注支架距離風機距離、支撐腿數量、風機入口直徑三個因素。黃興宇[4]對風機入口處的進口直徑、進口深度以及進口圓弧半徑三個參數進行研究并對風道結構進行優化，優化后的方案對比初始方案冷凍室最大溫差從1.7℃降至0.9℃。張波[5]等通過調整進風半徑和回風面積，提升了一款小容積風冷冰箱的性能指標并降低了整機噪聲。陳成[6]等基于Fluent對冷藏室風道進行改型優化，將冷藏室內溫差由7.5℃降至3.8℃。

目前，國內針對風冷冰箱風道的研究集中在上藏下凍型冰箱，而上凍下藏型冰箱主要為歐美、非洲等地的主流產品，對這類冰箱現有的研究偏少。隨著我國冰箱行業海外市場的迅速發展，這部分研究亟待完善。本文以配有離心風機的上凍下藏型風冷冰箱冷凍風道為研究對象，采用數值仿真與實驗驗證相結合的方法，通過優化冷凍風道內部的幾何結構，優化各出風口風量分配，從而提高箱內溫度均勻性。

2 模型建立及驗證

2.1 物理模型

本文研究對象為一款容積為430 L的上凍下藏型風冷冰箱，簡化后的冷凍室箱體模型如圖1所示。冷凍室中部包含一個玻璃層架，位于第二層風口的上方。冷凍風道組件分為前蓋板、后蓋板和風機組件三大部分，簡化后的模型如圖2所示。前蓋板上共有四組主要出風口，為箱內提供冷氣，依次標記為LU、LM、RU、RM。后蓋板上有左右兩組排水孔，也會有少量冷氣漏出，但不參與箱內制冷，依次標記為LD和RD。蓋板底部有去往冷藏室的出風口，標記為FR。

圖1 冷凍室箱體模型

圖2 冷凍風道組件

2.2 數學模型

為適應數值模擬計算，本文對箱內空氣流動過程做以下簡化假設：（1）箱內空氣流動已達穩態，不再隨時間變化；（2）箱內空氣為不可壓縮流體；（3）箱內空氣在內壁面上滿足無滑移邊界條件；（4）箱內空氣為理想氣體。基于上述假設，箱內空氣流動滿足下列方程：

連續性方程：

X方向動量方程：

Y方向動量方程：

Z方向動量方程：

式中，u、v、w分別代表X、Y、Z方向的速度分量，ρ、p、ν、g、β、T分別代表密度、壓力、動力粘度、重力加速度、熱膨脹系數、溫度。

2.3 計算模型

為更加準確地對箱內空氣流動及換熱情況進行模擬，本文對冷凍室翅片蒸發器運用多孔介質模型進行分析，對離心風扇運用MRF模型進行分析。各部件材料按照實際進行設置。本文采用RNG k-ε湍流模型以及可擴展壁面函數。對連續性方程、動量方程等的求解采用SIMPLE算法。為驗證網格無關性，本文對不同網格水平下LU口出風風量占比與實驗值相比較。結果如圖3所示。當網格數量增加到28.4萬時，仿真結果與實驗值接近，且基本穩定。

圖3 網格數量與LU出風口出風風量占比相關性

2.4 模型驗證

基于已建立的仿真模型對初始對稱結構的冷凍室風道速度場進行仿真分析，對四組出風口的流量分配進行監控。采用風速儀對各出風口的風速進行測量，每組出風口按照結構特點分別測量多組數據，并按照面積加權得出風量。各組出風口測試值和仿真值的風量分配對比如表1所示。四組出風口的仿真值和實測值的偏差在-2.5%至2.1%之間，且都呈現出左側出風量大于右側出風量的特征。仿真結果能夠較準確地反應實際風量的分配情況。對初始對稱模型的分析結果也表明，此設計左右兩側的風量分配差值達到12%，左右兩側出風非常不均勻。

表1 各出風口出風量仿真值與實驗值對比

3 冷凍風道速度場數值仿真及方案優化

本文在原始方案基礎上進行優化并做仿真分析對比。為提高進風效率，所有方案的風機都在水平方向居中放置，位于蒸發器的中部。按風道特征，將風扇分成區域I、區域II和區域III。風機按圖示視角逆時針旋轉。出風面速度矢量圖直觀反映了各出風口的風速大小和方向。在所有出風口中，只有從上部和中部流出的冷氣參與冷凍室制冷。因此，左側出風流量為LU出風口和LM出風口的流量之和，右側出風流量為RU出風口和RM出風口的出風流量之和。為便于比較箱內左右兩側風量，將出風流量折算成百分比。

方案A的幾何結構和仿真結果如圖4所示。依據離心風機出風特性，在區域II和區域III采取不對稱設計，減小左側出風通道的尺寸。由風道內流線分布可知，風道左側流線整體雜亂無章。LU出風口空氣橫向流動明顯且速度偏大，LM出風口處空氣流動偏少。對出風面速度矢量圖進行分析可知，LU出風口的右部有部分冷風橫向向左吹出，且速度較大。這部分橫向風一方面會影響LM出風口中部出風的風向，另一方面將直接吹到冷凍室左側壁面上，不能有效參與箱內制冷。此外，由于中部出風口與箱內玻璃層架距離相近，LM出風口左半部分出風方向朝上，會直接吹到玻璃上，同樣不能有效參與箱內制冷。左側出風流量占比48.68%，右側出風流量占比51.32%，左側的出風流量較右側整體偏小2.64%，即方案A會存在左右兩側出風流量不均的情況，且左側出風方向不合理，無法有效參與箱內制冷。

圖4 方案A的幾何結構和仿真結果

方案B的幾何結構和仿真結果如圖5所示。方案B在方案A的基礎上，在區域I內風機左上角處增加導流結構，以改變風向。由風道內流線分布可知，風道左側流線較方案A明顯有序。LU出風口空氣橫向流動減弱，向上出風部分明顯增加。LM出風口處空氣流動明顯增加。由出風面速度矢量圖可知，LU出風口右部的橫向風和LM出風口左部向上的吹風情況均有明顯改善。左側出風流量占比48.79%，右側出風流量占比51.13%，左側的出風流量仍然較右側整體偏小2.34%。方案B仍然存在左右兩側出風流量不均的情況，但左側出風方向較方案A有明顯優化。

圖5 方案B的幾何結構和仿真結果

方案C的幾何結構和仿真結果如圖6所示。方案C在方案B的基礎上，在區域III內增大左側出風口面積，以調整風量分配。方案C的風道內流線分布情況與方案B基本類似，但LM出風口處空氣流動有所增加。由出風面速度矢量圖可知，LM出風口的出風風速有明顯增加，且其他出風口的風向沒有太大變化。由出風流量對比可知，左右兩側流量差值縮小至0.65%。方案C基本滿足設計需求。

圖6 方案C的幾何結構和仿真結果

4 優化方案的帶載溫度場實驗驗證

出風口處出風的速度和方向直接影響箱內的溫度分布。出風風速過小或出風方向不合理將使得冷氣無法在箱內充分循環，造成箱內溫度分布不均勻。本文依據以上三種方案分別制作了風道手板樣機以進行實驗驗證。風道分別裝配于冰箱整機上，進行25℃環溫下帶載循環測試。為驗證左右兩側的溫度均勻性，冷凍室內的負載包和測溫點均左右對稱放置。測溫點選取冷凍室內F1～F6共計6個測溫點，分別位于箱內左右側的上部、中部和下部，具體位置如圖7所示。測試結果如表2所示。

圖7 負載包及測點放置示意圖

表2 三種方案帶載循環測試結果

實驗結果表明，方案A冷凍室測點F1至F6的均溫為-18.97℃，左右兩側溫差高達3℃，均明顯高于方案B與方案C。尤其F2點溫度高達-15.7℃。通過速度場數值仿真可知，方案A中左側出風流量相較右側偏小2.64%，且出風方向不合理，冷量未能充分參與箱內制冷，造成左側溫度整體偏高。方案B的箱內均溫-21.28℃較方案A有明顯改善，F2點溫度也降至-18.35℃。導風結構改變了出風口的風向，使得LU出風口的冷風能夠參與箱內制冷，左側溫度整體降低。但因左側出風流量仍較右側偏低2.34%，左右兩側仍然存在1.25℃的溫差。方案C在調整出風口面積后，左右兩側的出風流量差值降低至0.65%。經實驗驗證，方案C左右側溫差僅0.1℃，且箱內均溫達最低溫度-21.5℃。

5 結論

離心風機在應用時通常配備蝸殼結構以實現導流，而受制于冰箱的幾何尺寸，風道內無法應用完整的蝸殼結構。因而對于采用離心風機的風冷型冰箱，為提高風循環效率，其風道的幾何結構需做特殊處理，以使得風道出風均勻。

（1）簡單地在風道邊緣做左右不對稱處理，無法有效增強風循環效率，反而造成兩側溫差加大。這主要是由于離心風機徑向出風，部分冷風直接吹到側面箱壁上，無法有效參與箱內制冷。基于離心風機的工作原理，需在出風處增加導流結構以改變風向，將徑向吹出的冷風引導至直吹箱內，以提高風循環效率。（2）各出風口的出風風向調整合理后，可按照出風流量數據，適度調整各出風口的面積，以進一步加強出風均勻性。（3）采用優化后的風道結構進行帶載測試驗證，冷凍室左右兩側的溫差可從3℃降低至0.1℃。